Mavzu: Elementar zarralarning manbalari. Kosmik nurlar, zamonaviy tezlatgichlar, zarralar va antizarralar

Zamonaviy tezlatgichlar.

Tezlatgich texnologiyasi davri 1930 yillarning boshlaridan boshlab hisoblab chiqiladi, o'sha paytda zarrachalarni birdaniga 1 MeV energiyaga qadar tezlashtirishning ikkita sxemasi paydo bo'ldi. 1932 yilda ingliz Jon Cockcroft va Irlandiyalik Ernest Uolton Kembrijda 800 kilovoltlik DC kuchlanish generatorini qurdilar, bu eksperimentalda yangi davrni ochdi. . Birinchi tajribalarida, ular litiy-7 nishoniga tezlashtirilgan protonlar nurini yuborib, ularning haqiqiy holatini kuzatdilar. yadro reaktsiyasi: Litiy yadrosi protonni ushlab, ikkita alfa zarrachalariga bo'linib ketdi. Tezlatgichlarni tubdan ikkita katta guruhga bo'lish mumkin. Bu shunday chiziqli tezlatgichlarzarracha nurlari bir marta tezlashuvchi bo'shliqlardan o'tib ketganda va tsiklik tezlatgichlarunda nurlar aylanishlar kabi yopiq egri chiziqlar bo'ylab harakatlanib, tezlashuvchi bo'shliqlardan ko'p marta o'tib ketadi. Tezlatgichlar shuningdek ularning maqsadlariga ko'ra tasniflanishi mumkin: kollizatorlar, neytron manbalari, kuchaytirgichlar, sinxrotron nurlanish manbalari, saratonni davolash vositalari, sanoat tezlatgichlari.Tezlatgich dizaynlari.Yuqori kuchlanish tezlatgichi (to'g'ridan-to'g'ri harakat tezlatgichi).Zaryadlangan zarralarning tezlashishi butun elektr energiyasi bilan o'zgaradigan yoki o'zgarmas elektr maydonida sodir bo'ladigan zaryadlangan zarralarning (elektron) tezlashtiruvchisi. V.U.ning muhim afzalligi. tezlatgichlarning boshqa turlariga nisbatan - doimiy va vaqtli elektr maydonida tezlashgan zarrachalar energiyasining ozgina tarqalishini olish imkoniyati. Ushbu turdagi tezlatkich yuqori samaradorlik (95% gacha) va yuqori quvvatli qurilmalarni (500 kVt va undan yuqori) yaratish qobiliyati bilan ajralib turadi, bu tezlatgichlarni sanoat maqsadlarida ishlatishda juda muhimdir tezlatgich - siklotron - 1929 yilda Ernest Lourens (Ernest Lawrence) tomonidan ishlab chiqilgan va 1931 yilda yaratilgan. Siklotron ikkita ichi bo'sh disk yarmidan iborat, ularning ichida zarralar aylanadi. Halqa orasidagi bo'shliqning chetiga alternativ kuchlanish qo'llaniladi, ularning chastotasi zarralarning aylanish chastotasiga to'liq to'g'ri keladi. Zarralar bo'shliqdan bir tomonga uchib ketganda, elektr maydoni ularni oldinga suradi va yarim vaqt o'tgach, ular diskning diametrik qarama-qarshi tomonidan qarama-qarshi yo'nalishda yana bo'shliqni kesib o'tishganda, maydon allaqachon belgini o'zgartiradi va ularni sekinlashtirmaydi, aksincha ularni itaradi. Bu zarrachalarning tezligi yorug'lik tezligidan ancha past bo'lsa-da, ularning aylanish chastotasi doimiy bo'lib qolaveradi: tezlikning oshishi aniq orbitaning radiusi ortishi bilan qoplanadi. Shu sababli, zarra har doim bir vaqtning o'zida bo'shliqqa uchib ketadi va shuning uchun ma'lum va qat'iy belgilangan chastotaning o'zgaruvchan kuchlanishi bo'shliqning chetlariga qo'llanilishi mumkin.Lawrence tomonidan qurilgan birinchi siklotronning diametri 10 sm dan biroz ko'proq edi va protonlarni atigi 80 kV (kiloelektron voltlar) ga qadar tezlashtirdi. Tez rivojlanish 1936 yilda 8 MeV siklotronning paydo bo'lishiga va 1946 yilda 200 metrlik ko'p metrli gigantning paydo bo'lishiga olib keldi. To'g'ri, bu energiya bilan protonlarning tezligi yorug'lik tezligiga yaqinlashdi, shuning uchun siklotron chastotasini hisoblash uchun nelativativ bo'lmagan formulalar endi ishlamaydi. Fiziklar bunday energiyaga faqat zarrachalar aylanish chastotasiga muvofiq bo'shliqdagi o'zgaruvchan elektr maydonining chastotasini sozlashni o'rganish orqali erishdilar.
Sinxrofazotronlar.Keyingi energiya ko'payishi bir qator muammolarga olib keldi. Ular orasida aniq dizayndagi qiyinchiliklar (spiralda aylanib yurgan zarrachalarga xalaqit bermasdan yagona magnit maydon, chuqur vakuum va mexanik kuchni ta'minlash kerak) va asosiy muammo - zarrachalar xonaning atrofiga tarqalib ketgan va noto'g'ri vaqtda tezlashuvchi bo'shliqlarga tushib qolgan. - buning uchun ular tezlashmadi. 1944 yilda Sovet fizigi Vladimir Veksler va undan mustaqil ravishda, bir yil o'tgach, amerikalik Edvin MakMillan ushbu printsipni ilgari surdi. avtofazalash. Ularning g'oyasi bo'shliqdagi elektr maydonini maxsus sozlashdan iborat edi, ular orqada qolgan zarralar orqasida kuchliroq bo'lib, oldinga yuguruvchilar zaifroq bo'lishadi. Natijada zarralar doimo loyqa emas, balki ixcham shaklda bo'ladi. Nihoyat, muhandislik muammosidan xalos bo'lish uchun halqaga o'ralgan katta naycha o'rniga zarrachalar zarrachalari ishga tushirila boshlandi va ularni doimiy orbitada ushlab turish uchun magnit maydoni energiya o'sishi bilan bir vaqtda oshirildi. Ushbu turdagi tezlatgichlar chaqiriladi sinxrofazotronlar. Keyingi yillarda ularning energiyasi bir necha GeV ga etdi va fizikada ko'plab kashfiyotlar amalga oshirildi. Ko'plab zamonaviy tezlatgichlarning, xususan LHC ning asosi sinxrofazotron printsipidir.
Akselerator texnologiyasi tarixidagi keyingi bosqich bu yaratilish edi kollizatorlar - ikkita zarracha nurlari qarama-qarshi yo'nalishda birlashib, bir-biri bilan to'qnashadigan yaqinlashib kelayotgan nurli tezlatgichlar. Dastlab, bu g'oya 1943 yilda norvegiyalik fizik Rolf Videroy tomonidan bildirilgan va hatto patentlangan, ammo bu faqat 1960 yillarning boshlarida uchta mustaqil tadqiqot guruhi tomonidan amalga oshirildi: Avstriyalik Bruno Tuschek boshchiligidagi italyan guruhi, amerikaliklar rahbarlik qilishdi. Jerar K. O "Neil va Wolfgang KH Panofskiy va G. I. Budker boshchiligidagi Novosibirsk guruhi. Shu vaqtgacha barcha tajribalar belgilangan nishon bilan o'tkazildi. Yuqori energiyali zarracha qo'zg'almas zarrachani urganda, to'qnashuv natijasida hosil bo'lgan mahsulotlar oldinga siljiydi yuqori tezlik, va bu ularning ustidadir kinetik energiya nur energiyasining asosiy qismi sarflanadi. Agar bir-biriga qarab uchayotgan bir xil zarralar to'qnashsa, u holda energiyaning katta qismi uning maqsadiga sarflanadi: zarrachalar yaratilishi. Formulalar bo'yicha relyativistik mexanika hisoblashi mumkin to'liq energiya massa markazida - bu yangi zarrachalar tug'ilishiga sarflanishi mumkin bo'lgan boshlang'ich zarralar energiyasining shu qismi. Birinchi holda, bu taxminan, ikkinchi holatda esa 2 E. Agar zarralar ultrarelativistik bo'lsa, E >> mk 2, keyin to'qnashuvdagi nurlar ustidagi kollayder bir xil nur energiyasida statsionar maqsadli tajribalardagiga qaraganda ancha og'irroq zarralarni hosil qilishi mumkin.
2008 yilda inson tomonidan qurilgan eng kuchli tezlatgich ishga tushirildi - Katta Hadron Collider, LHC, proton energiyasi 7 TeV (Elementlardagi LHC bo'limiga qarang). U Shveytsariya va Frantsiya chegarasida uzunligi 27 km bo'lgan er osti halqa tunnelida joylashgan. Fiziklar LHC natijalari bizning dunyomizning chuqur tuzilishini tushunishda yangi kashfiyotga olib keladi deb umid qilishadi.
Tezlatgichlar endi ularning tarkibiy chegarasiga yaqinlashmoqda. Zarrachalar energiyasining sezilarli darajada ko'payishi, agar to'qnashuvlar chiziqli bo'lib qolsa va zarralarni tezlashtirishning yanada samarali texnikasi amalga oshirilsa amalga oshiriladi. Kashfiyot lazer yoki lazer-plazma tezlashuv texnikasini va'da qiladi. Unda qisqa, ammo kuchli lazer zarbasi to'g'ridan-to'g'ri zaryadlangan zarrachalarni tezlashtiradi yoki plazma bulutida bezovtalik yaratadi, bu esa o'tayotgan elektron to'plamni oladi va uni keskin ravishda tezlashtiradi. Ushbu sxemani tezlatgichda muvaffaqiyatli qo'llash uchun yana ko'p qiyinchiliklarni engib o'tish kerak bo'ladi (bir nechta tezlashtiruvchi elementlarni bir-biriga ulashni o'rganish, katta burchak mos kelmasligi, shuningdek, tezlashtirilgan zarrachalar energiyasining tarqalishini engish), ammo birinchi natijalar juda dalda beradi,elektr va magnit maydonlardan, elektronlardan, protonlardan, ionlardan va energiyadan issiqlik energiyasidan ancha yuqori bo'lgan boshqa zaryadlangan zarralardan foydalangan holda o'rnatish. Tezlashuv jarayonida zarralarning tezligi oshadi va ko'pincha yorug'lik tezligiga yaqin qiymatlar paydo bo'ladi. Hozirgi kunda tibbiyotda (radiatsiya terapiyasi), shuningdek sanoatda (masalan, yarimo'tkazgichlarda ion implantatsiyasi uchun) ko'plab kichik tezlatgichlar qo'llaniladi. Katta tezlatgichlar asosan ilmiy maqsadlar uchun ishlatiladi - subkadr yadro jarayonlari va elementar zarralarning xususiyatlarini o'rganish uchun ( shuningdek qarang PARTICLE ELEMENTARY).
Kvant mexanikasiga ko’ra, zarracha nurlari, nur nuriga o'xshab, ma'lum bir to'lqin uzunligi bilan tavsiflanadi. Zarrachalar energiyasi qancha yuqori bo'lsa, bu to'lqin uzunligi qisqaroq bo'ladi. Yadro zarralarining energiyasi elektron voltlarda (eV) o'lchanadi. Elektron-volt bu zaryadlangan zarrachani ushlab turadigan energiya
elementar zaryad (elektr zaryad), potentsial farqi 1 V. (1 eV »1.60219H 10-19) J bo'lgan ikki nuqta orasidagi elektr maydonida harakatlanayotganda tezlatgichlar sizga minglab bir necha trillion (10 12) elektron voltgacha bo'lgan energiya olish imkonini beradi - dunyodagi eng katta tezlatgichda.
Tajribada kam uchraydigan jarayonlarni aniqlash uchun signal-shovqin nisbatlarini oshirish kerak. Buning uchun tobora ko'proq intensiv nurlanish manbalari talab etiladi. Zamonaviy tezlatgich texnologiyasining etakchi qirrasi ikkita asosiy parametr - zarracha nurlarining energiyasi va intensivligi bilan belgilanadi. Zamonaviy tezlatgichlar ko'plab turli xil asbob-uskunalardan foydalanadilar: yuqori chastotali generatorlar, yuqori tezlikli elektronika va avtomat boshqaruv tizimlari, murakkab diagnostika va boshqarish moslamalari, ultra yuqori vakuum uskunalari, kuchli aniqlik magnitlari ("odatiy" va "kриogen") va murakkab tekislash va mahkamlash tizimlari.Hozirgi kunda bir qator tezlatgichlar mavjud ularning bir nechtasini qarab o’tamiz.
Elektrostatik tezlatgichMafkuraviy jihatdan, eng oddiy, chiziqli tezlatgich. Zarrachalar doimiy elektr maydoni bilan tezlashadi va tezlashtiruvchi elektrodlar joylashgan vakuum kamerasi bo'ylab to'g'ri yo'nalishda harakatlanadi.Turlari:Van de Graaff tezlatgichi. Van de Graaff generatori, dielektrik lenta bilan zaryadlarni mexanik ravishda uzatishga asoslangan. Maksimal elektr zo'riqishida ~ 20 MV maksimal zarracha energiyasi ~ 20 MeV aniqlanadi.
Kaskad tezlatgichi. Tezlashtiruvchi kuchlanish kaskad generatori tomonidan yaratiladi, u doimiy tezlashtiruvchi yuqori kuchlanishni yaratadi, 5 dyumli kuchlanish davri bo'yicha past alternativ kuchlanishni o'zgartiradi.Kam energiyali elektronlarning chiziqli tezlatgichlari ko'pincha turli xil elektr-vakuum qurilmalarining (katod nurlari trubkasi, rasm naychalari, rentgen naychalari va boshqalar) bir qismi sifatida ishlatiladi.
TsiklotronTsiklotron apparati. 1 - zarralarning kelishi joyi, 2 – ularning harakat traektoriyasi, 3 - elektrodlar, 4 - o'zgaruvchan kuchlanish manbai. Magnit maydoni shaklning tekisligiga perpendikulyar yo'naltirilgan.
Tsiklotronning fikri oddiy. Ikki yarim doira ichi bo'sh elektrotlar orasida, deyiladi duanlarqo'llaniladigan o'zgaruvchan kuchlanish. Duolar doimiy magnit maydonni yaratadigan elektromagnit qutblari orasiga joylashtirilgan. Magnit maydon doirasi atrofida aylanadigan zarracha har bir aylanishda deyslar orasidagi bo'shliqda elektr maydoni orqali tezlashadi. Buning uchun zinapoyalardagi kuchlanish polaritesidagi o'zgarish chastotasi zarralar aylanish chastotasiga teng bo'lishi kerak. Boshqacha aytganda, siklotron rezonans tezlatgich. Har bir aylanishda energiya kuchayishi bilan zarralar traektoriyasining radiusi tog'lar chegarasidan chiqmaguncha oshib borishi aniq.
Tsiklotron tsiklik tezlatgichlardan birinchisidir. Laurens birinchi yilda ishlab chiqilgan va bunda u yil davomida Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan. Hozirgacha siklotronlar og'ir zarralarni nisbatan kam energiyaga, ya'ni 50 MeV / nuklongacha tezlashtirish uchun ishlatiladi. Betatron.Boshqa ism: indüksiyon tezlatgich. Zarralarning tezlashishi shovqin orbitasi bilan o'ralgan magnit oqimning o'zgarishi natijasida vorteks elektr maydoni orqali amalga oshiriladigan tsiklik tezlatgich. Vorteksli elektr maydonini yaratish uchun yadroning magnit maydonini o'zgartirish kerak, va elektr o'tkazmaydigan mashinalarda magnit maydonlari odatda temirning ~ 20 kG darajasida to'yinganligi bilan cheklanadi, yuqoridan betatronning maksimal energiyasida cheklov paydo bo'ladi. Betatronlar asosan elektronlarning energiyasini 10-100 MeV gacha tezlashtirish uchun ishlatiladi (betatronda erishilgan maksimal energiya 300 MeV Birinchi marta betatron Wideröe tomonidan bir yil ichida ishlab chiqilgan va yaratilgan, ammo u ishga tushirilmadi. Birinchi ishonchli ishlaydigan betatronni D.V. Kerst faqat bir necha yil ichida yaratgan. AQShda.MikrotronU o'zgaruvchan ko'paytmali tezlatgichdir. Siklotron va tezlashtiruvchi kuchlanish chastotasi kabi doimiy etakchi magnit maydoni bo'lgan rezonansli tsiklik tezlatgich. Mikrotronning g'oyasi har bir aylanishda tezlashishi natijasida olingan zarralarning aylanish vaqtining ko'payish kuchlanishining tebranish davriga ko'payishidir.
Fazotron (sinrokrosiklotron).Tsiklotrondan asosiy farq bu tezlanish paytida o'zgaradigan elektr maydonining chastotasi. Bu avtofazalash tufayli tezlatilgan ionlarning maksimal energiyasini siklotronning cheklangan qiymatiga nisbatan oshirishga imkon beradi. Fasotronlardagi energiya 600-700 MeV ga etadi.
Sinxrofazotron.Muvozanat orbitasining doimiy uzunligi bo'lgan tsiklik tezlatgich. Tezlanish paytida zarralar bir xil orbitada qolishi uchun etakchi magnit maydoni ham, tezlashtiruvchi elektr maydonining chastotasi ham o'zgaradi. Ko'pgina zamonaviy tsiklik tezlatgichlar sinchrofazotronlarga katta e'tibor qaratmoqda. Tezlashtirish jarayonida ultrarelativistik elektronlar uchun inqilob chastotasi deyarli o'zgarmaydi va sinxrotronlar qo'llaniladi. Sinxrotron.Doimiy orbitaning uzunligi va o'zgaruvchan elektr maydonining doimiy chastotasi bo'lgan, ammo o'zgaruvchan haydovchi magnit maydoni bo'lgan tsiklik tezlatgich.Chiziqli tezlatgich.Bundan tashqari, ko'pincha linac deb nomlanadi (LINear ACcelerator uchun qisqa). Zarralar birdan uchib ketadigan tezlatgich. Chiziqli tezlatgichlar ko'pincha elektron qurol yoki ion manbasidan olingan zarralarning birlamchi tezlashishi uchun ishlatiladi. Biroq, chiziqli to'liq energiyali kollizator g'oyasi ham yangi emas. Linaklarning asosiy afzalligi zarrachalar energiyasining to'rtinchi darajasiga (!) Mutanosib ravishda o'sib boradigan ultra kichik emissiyalarni olish va radiatsiyaviy energiya yo'qotishlarining yo'qligi.Kollider.U yaqinlashib kelayotgan nurlarni tezlashtiruvchi vositadir. Sof eksperimental qurilmalar, ularning maqsadi yuqori energiyali zarralarning to'qnashuv jarayonlarini o'rganishdir.Rezonansli tsiklik tezlatgich og'ir zarralar (proton, ionlar), doimiy magnitda doimiy ishlaydiganlar. maydonda va doimiy (lekin iondan ionga o'tish bilan o'zgaruvchan) tezlashtiruvchi yuqori chastotali elektr chastotasida. maydonlar. Magnit induktsiyasida bo'lgan oddiy S ni farqlash kerak. maydon azimutdan mustaqil, C esa magnitning azimutal o'zgaruvchanligi bilan ajralib turadi. aks holda chaqirilgan maydonlar izoxronli siklotronlar.